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预应力锚杆在云南那邦水电站边坡支护中的应用

日期：2016-7-22 14:39:23　来源：转载　浏览数：
　

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    1· 工程简介
    那邦水电站大坝右岸边坡从高程923 ～ 1 036m，高达113 m，边坡土性、岩性全为堆积体、强风化到弱风化岩石，在强降雨到超饱和状态下极易失稳而坍塌。施工过程中2009 年7 月1 日～ 5 日施工所在地连降暴雨达528 毫米，在按设计内容要求已经完成边坡支护的情况下仍然发生了较大面积的变形: 高程972 m 马道坍塌、高程1 002 m 马道裂缝变形、高程1 036 m 顶部多处出现5 ～ 45 cm 的裂缝。为此设计根据现场布置的安全监测数据分析，相继采取增加预应力锚杆、锚索、锚拉板( 梁) 等支护加固措施。
    2 ·预应力锚杆施工程序与工艺
    2． 1 施工技术参数
    根据设计的要求，在该工程的预应力锚杆施工中，锚孔孔径为58 mm; 锚杆杆体材料采用Ⅱ级20MnSi 螺纹钢，直径为32 mm; 杆体长度为9． 5 m及8 m 两种类型; 锚固段长度为2． 6 ～ 2． 8 m，自由段长度为: L － L1，( L: 杆体总长; L1: 锚固段长度) ; 锚杆的粘结材料选用水泥药卷锚固剂。设计荷载为15 t( 顶拱) 及10 t( 边墙) 两种要求。见图1。

    2． 2 生产性实验
    根据工程施工的整体要求，预应力锚杆在正式施工前必须先进行生产性实验。实验过程要求对所选用的材料性能、合适的张拉时段、锚杆锚固段长度及张拉锁定后的应力损失等各项数据进行对比论证确定。为达到这一要求，先后进行了多组实验。在实验中，根据设计的要求，锚孔的平均深度为10 m，孔径为58 mm，锚杆材料及锚具等的选用均按设计要求选取。施工采用先注浆后插杆的方法施工。全孔注浆及锚杆安装结束，待锚杆强度满足张拉要求时，采用预置式扭力扳手分级张拉，超张拉后持荷锁定。通过实验成果的分析比较，最后选定8604 型水泥锚固剂( 河南巩义锚固剂厂) 为粘结材料，此药卷的主要性能如表1。

    根据锚固剂的主要性能，确定锚杆的张拉时段为锚固段速凝药卷装入后的4 ～ 8 h 内; 杆体的锚固段长度为2． 6 ～ 2． 8 m 之间; 超张拉应力为设计值的10% ～ 15%; 张拉设备采用预置式扭力扳手，扭力扳手在使用前先利用测力计进行率定，达到要求方可使用。
    2． 3 施工工艺
    预应力锚杆施工严格按如下施工程序进行，如图2。

    2． 3． 1 施工准备
    1) 材料。预应力锚杆的所用材料主要有: 一端车丝的钢筋( 杆体) 、速凝水泥药卷、缓凝水泥药卷及与杆体配套的锚具附件( 托板、螺帽等) 。锚杆杆体材料采用32 mm 的Ⅱ级20MnSi 螺纹钢，要求杆体无锈、顺直的整根钢筋加工，不得采用焊接; 杆体裁端部丝口按设计要求精细加工，加工好并验收合格方可使用。各种水泥药卷原材料进厂后进行抽样检查，非合格品严禁进入施工现场。托扳的规格为:20 cm × 20 cm × 2 cm 钢板; 螺帽采用ML32 型，要求螺帽的扭矩大于100 N． m。
    2) 设备。预应力锚杆施工的施工设备主要有:定孔设备、造孔设备、供风设备、送水泥药卷的风枪( MQ － 25 喷枪) 、安装锚杆的操作平台、张拉设备及车丝设备。
    2． 3． 2 造孔
    为满足设计对锚孔的要求及提高劳动生产率，本工程中的所有锚孔造孔工作均由锚杆台车和三臂凿岩台车完成。为达到设计对孔位的精确度要求，造孔前先由测量人员根据图纸要求用全站仪进行孔位定点放样。孔位偏差严格控制在: 孔深偏差50mm，角度偏差1 ～ 3 度。在一定范围内( 一般为一个单元工程) 的锚孔造孔完成后，用高压水枪进行孔内清洗，清洁后再用高压风枪吹出孔内积水。所有工作完成后，由现场技术员根据事先的编号在现场进行标识，并做好相关验收资料向监理工程师申请验收。验收合格后进入下一工序( 锚杆安装) 施工。
    2． 3． 3 锚杆安装
    锚孔验收合格后，应立即组织进行锚杆插注施工，以避免出现塌孔，增加施工难度。
    1) 装水泥药卷。在对锚孔进行装药卷前，施工人员先用一长杆探测实际钻孔深度，并在锚杆上做好标记。根据设计锚固段长度( 2． 6 m) 和钻孔孔径( 58 mm) ，用体积法计算并结合实验结果，得出速凝水泥药卷用量为55 支( 单根8604 － K3 型水泥药卷为28 × L250 mm) ; 缓凝水泥药卷用量为120 支( 8604 － M1 规格同8604 － K3。锚杆长度为9． 5 m，外露0． 15 m。) 。根据水泥药卷的性能、实验结果及一段时间的施工总结，速凝水泥药卷的浸泡时间为60 ～ 70 s 为宜，缓凝水泥药卷可稍长一点。
    当具备施工条件后，先将速凝水泥药卷用净水浸泡。在浸泡药卷的同时，可用送药卷用的风枪对锚孔进行高压风清洗，将孔内的污物及积水排出，保证孔内洁净，待药卷浸泡好后，立即用专用水泥药卷风枪送入孔内预定位置。经过一段时间的施工总结: 送速凝水泥药卷开始时料管不宜直接插至孔底，而应距孔底50 cm 左右为宜( 以免送入后撞击孔底而反弹) ，当送入量达到需求量的1 /3 时把料管拉出1 m 左右，再送1 /3; 料管再往外拉出1 m 左右，到达锚固段的外端，将剩余的1 /3 速凝药卷全部送完。速凝水泥药卷送完，将料管拉出1 m 左右，立即送缓凝水泥药卷( 因速凝药卷的初凝时间为45min，为保证锚杆质量必须争取时间) 。在送缓凝水泥药卷时也是一样的采用边送药卷边退管的方法，直至送完为止。
    在输送水泥药卷时风枪的风压是一个非常重要的影响因素。风压过大，送入的药卷会被高压风从孔内吹出; 而风压过小，容易发生堵管。故风压适中而且稳定才有利于保证锚杆的施工质量。经过多次的反复调试对比后，风压宜控制在0． 35 MPa ～ 0． 4MPa 最为合适( 输料管长度为20 m 左右) 。
    2) 锚杆及其附件安装。缓凝水泥药卷送完后，应立即安装锚杆杆体( 延时过长会加大安装难度) 。杆体安装采用人工完成，先将杆体的内端放置于孔口，找好插入角度后人工缓慢的将杆体推至设计位置。推入时缓慢转动杆体，确保杆体与粘结材料均匀接触。由于水泥药卷采用风送式，故孔内会有少量空气，为防止排气导致粘结材料流失，在杆体插入时孔口应采取一定的保护措施。杆体推送至预定位置后，停止推送。由于实际施工中仍有少量粘结材料外溢，孔口段的饱满度存在少量缺陷，只能采用人工进行孔口段缓凝水泥药卷补足，并用楔子将杆体临时固定。在安装杆体时应注意对杆体丝口的保护，避免受污及受损。
    当杆体安装结束后，进行锚杆附件( 托板、螺帽等) 的安装。由于设计要求锚杆的外露长度为0． 15m，而且岩面的平整度不足，施工中必须进行孔口找平及做一个小型的垫墩( 根据托板的规格尺寸确定为: 20 cm × 20 cm × 8 cm。) 。施工中由于受锚固段粘结材料性能的限制，要求垫墩必须在张拉时段内达到一定的强度，否则将在锚杆张拉时被破坏从而失去作用，致使锚杆无法进行正常张拉。故垫墩的制作采用现场制作，在垫墩施工中采用了与锚固段相同的速凝水泥药卷( 8604 － K3 型) 作为垫墩的制作材料。在垫墩施工中为避免垫墩材料将杆体外露段锚固死，至使张拉时无法达到预期效果，施工中采用了涂锂基脂及外套胶管套将杆体外露段进行保护8 cm 长度，使之与垫墩材料隔离。垫墩制作完成后，马上进行托板安装，以保证在垫墩初凝前调整安装好托板。托板的安装要必须平整，并与杆体轴线保证垂直，以确保杆体张拉时的受力方向。托板装好后进行螺帽安装，安装螺帽时不必加力，以避免将杆体拉出，螺帽只要能固定托板即可。
    2． 3． 4 张拉锁定
    锚杆的张拉锁定应在自由段的缓凝水泥药卷初凝前、锚固段的速凝水泥药卷强度( 含托板垫墩部分) 达到20 MPa 以上的时段内进行，根据实验的结果及锚固段粘结材料的性能，确定锚杆张拉锁定选在锚固段速凝药卷装完后的4 ～ 8 h 内。
    当安装好的锚杆达到张拉要求时，利用预置式扭力扳手进行分级张拉加载。第一级取设计荷载的30%，在缓慢拧紧螺帽的同时，进一步调整各部件位置，确保接触良好。然后分别以设计荷载的50%、80%、115% 逐级张拉。张拉力为1． 15P 设+ P 损。每级张拉到位后，稳定5 min，并做好应力记录。最后一级荷载加完后稳定20 min，无异常情况后锁定。在张了过程中要求对每一级张拉结束后的杆体拉伸值进行记录，一根效果比较理想的预应力锚杆( 杆长9． 5 m，张拉应力为15 t) 的最终伸长值在8 ～ 12mm 左右。为保证张拉设备的准确度，张拉用的预置式扭力扳手每张拉50 锚杆根后立即进行率定，对使用一段时间后产生的误差进行校定。
    2． 3． 5 检查验收、评定
    预应力锚杆每完成一个单元的施工后，将施工中各阶段( 包括: 造孔、注浆、张拉等，这些资料在工序施工时已通过现场验收，并已取得监理工程师的签字) 的资料整理汇总，并填写单元验收评定资料，上报监理工程师进行工程验收及评定。
    3· 需进一步完善的问题
    在整个边坡的预应力锚杆施工过程中也出现过一些问题，但经过全体作业人员不断努力改进施工工艺，基本得到了很好的解决，特别是张拉失败率由刚开始的15% ～ 10%降至5%左右。但有些问题仍然需要在以后的施工中不断的总结完善，不断的改善施工工艺，把预应力锚杆的施工推上一个新的高度，使其施工更加合理、经济、有效。具体如下:
    1) 锚杆的密实度无损检测从客观上分析存在一定的缺陷，这是由于孔内空气无法全部排出，待粘结材料粘固后会在内部形成一定的小空腔，在岩体内渗水的长期作用下会对预应力锚杆的质量产生一定的影响。
    2) 孔内渗水对锚杆质量的影响，此问题在地质条件较差的地段及上仰孔较为突出。由于粘结材料送达孔内时是可塑的，它会被孔内的渗水进一步稀释，最终随着孔内渗水一起向孔口流动，导致孔内的速凝材料与缓凝材料在自由段混合，而且无法判断孔内粘结材料的密实度，最终导致整根锚杆达不到预期的效果。在施工中采用了一杆双孔( 即: 一孔为锚孔，在其附近10 ～ 15 cm 内再造一孔作为排水孔，两孔孔向一致) ，这样虽然有一定的效果，但是此类问题引起的张拉失败率还是很高，达15% 左右。而且对施工成功的进行检测后发现与正常施工的锚杆在效果上存在一定的差距。
    3) 从施工成本方面考虑，那邦水电站右岸边坡的预应力锚杆施工中采用的粘结材料成本还是比较高的，平均为每米3 元左右，每一根锚杆的正常耗量为50 m 左右，也就是一根锚杆在粘结材料方面将投入150 元左右。在施工过程中我们做过一些实验，想用缓凝砂浆代替缓凝水泥药卷，但是由于增加了施工复杂性及在做上仰90 度角试验时注浆中密实度存在一定缺陷，最终未得到采用。假若该方法可以成功实施的话，最少可以在粘结材料方面节约25%左右的成本。
    4 ·结语
    经过2009 年8 月至10 月共3 个月的紧张施工，共施工预应力锚杆120 多根。预应力锚杆在整个大坝右岸高边坡的支护中起到了很大作用，它与增加的42 根无粘结预应锚索共同起作用约束边坡岩体的变形，最终在边坡最大变形317 cm 的情况下，整个边坡变形依然被加固措施控制住，没有发生较大方量的坍塌，挽救了整个首部枢纽工程停工甚至重建的风险。
    那邦水电站右岸边坡加固采用的支护形式是成功的，而且是非常经济实用的，特别是预应力锚杆支护的采用。由于预应力锚杆的前期支护强度高，能在很短的时间内达到预期的支护效果( 张拉后就产生效果) ，这为锚索施工创造了安全条件同时也赢得了时间; 另外预应力锚杆除了支护应力比预应力锚索小外，它基本具备了预应力锚索其它的优点，并且预应力锚杆的施工成本较低，工艺相对简单，施工速度快，而且支护效果比较理想。